Метаматериал из кольцевых проводников для радиодиапазона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат наук Мироньчев, Александр Сергеевич

• Мироньчев, Александр Сергеевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Мироньчев, Александр Сергеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1 Искусственные среды и их назначение

1.1 Предыстория метаматериалов

1.2 Начало истории метаматериалов

1.3 Применения метаматериалов и их совершенствование

1.4 Задачи диссертационной работы

2 Распространение радиоволн в метаматериалах

2.1 Отрицательное преломление и метод его описания

2.2 Взаимодействие плоских волн с плоским слоем метаматериала

2.3 Проверка баланса потока энергии при прохождении волны через плоский слой

2.4 Влияние многократных переотражений при формировании поля, волной прошедшей плоский слой метаматериала

2.5 Фокусирующие свойства метаматериала

3. Метаматериал как композиция разомкнутых и замкнутых проводников

3.1 Поляризуемость и намагничиваемость проводников

3.1.1 Поляризуемость отрезков прямолинейных проводников

3.1.2 Намагничиваемость кольцевых проводников

3.1.3 Поляризуемость кольцевых проводников

3.1.4 Отрицательный показатель преломления композитной среды

3.2 Численное моделирование взаимодействия элементов композитных метаматериалов

3.2.1 Моделирование полей, рассеянных решеткой из SSR-колец

3.2.2 Моделирование полей, рассеянных кольцевым проводником

3.2.3 Моделирование взаимодействий кольцевых проводников

3.2.4 Модель решетки из кольцевых проводников

3.2.5 Эффект фокусировки излучения перед слоем метаматериала

4 Экспериментальное исследование

4.1 Экспериментальный образец композитного метаматериала

4.2 Экспериментальная установка и метод обработки данных

4.3 Образец композитного метаматериала с увеличенной концентрацией кольцевых проводников

4.4 Физическая интерпретация результатов и возможные приложения

Заключение

Список литературы

Приложение А

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метаматериал из кольцевых проводников для радиодиапазона»

ВВЕДЕНИЕ

Метаматериал формируется искусственно из проводников определенной формы. В основе исследования лежит электродинамический анализ структуры токов наводимых падающей плоской волной на простейших проводниках разомкнутого (вибраторы) и замкнутого (кольца) типа. Приводятся результаты теоретического исследования взаимодействия электромагнитных волн со слоем метаматериала. Путем численного расчета показывается, что плоский слой метаматериала с комплексным показателем преломления может обладать фокусирующими свойствами. Приводятся результаты численного эксперимента по расчету полей, рассеянных матрицей из кольцевых проводников. Так же приведены результаты натурного макетирования композитных метаматериалов и измерения их свойств в гигагерцовом диапазоне частот. Основные результаты диссертации опубликованы в статьях [1 - 31].

Актуальность избранной темы и степень ее разработанности

В последнее десятилетие XX века во многих странах проводились интенсивные исследования по широкому кругу вопросов, относящихся к физике сложных электромагнитных сред и искусственных материалов, которые предназначаются для применения в современных радиотехнических и оптических приборах и устройствах. В результате исследований были достигнуты впечатляющие результаты в области теории, позволившие лучше понять радиофизические принципы создания новых электромагнитных материалов, а также выявить потенциальные возможности и диапазон достижимых значений материальных параметров. Поэтому неслучайно, что на грани тысячелетий появился термин «метаматериал». Его предложил в 2000 году руководитель Центра электромагнитных материалов и устройств в Остине (штат Техас, США) Роджер Уолсер [32].

С введением нового понятия, которое постепенно было принято научным

сообществом и прочно закрепилось в литературе, была обозначена настоятельная

потребность в создании нового поколения искусственных композитных

материалов, в которых были бы реализованы ранее не достигнутые и пока не

обнаруженные в природе, но востребованные на практике и принципиально

возможные значения диэлектрической проницаемости, магнитной проницаемости

4

и других электромагнитных параметров. В том же году появилось первое сообщение о создании экзотической композитной среды с отрицательными значениями как диэлектрической, так и магнитной проницаемости (исследовательская группа Давида Смита из университета Дьюка в Дареме, штат Северная Каролина, США) [33].

Необычные свойства такой воображаемой среды - метаматериала ранее были известны только узкому кругу специалистов и впервые наиболее обстоятельно описаны в статье советского физика Виктора Веселаго, опубликованной в журнале «Успехи физических наук» в 1967 году [34], т.е. почти за три десятилетия до появления самого понятия метаматериалов. Факт экспериментального подтверждения возможности существования таких сред стимулировал огромный интерес к исследованию новых подходов по конструированию искусственных электромагнитных материалов. Можно утверждать, что начало XXI столетия ознаменовалось зарождением и бурным развитием нового научного направления в радиофизике и оптике под названием «электродинамика метаматериалов».

Термин «метаматериал» содержит приставку цеха, которая переводится с греческого языка как «за», «после», «через» и используется для обозначения перемены состояния, превращения. Например, в астрономии метагалактикой называют гигантскую систему галактик, которая включает в себя все наблюдаемые галактики и их скопления. Применительно к электромагнитным материалам эта приставка указывает на новые качества, которых пока нет у известных материалов и которые пока не обнаружены у природных сред. Данный термин относится к числу так называемых размытых понятий, достаточно широко применяемых как в прикладных научных исследованиях, так и в повседневной жизни.

К настоящему времени существует много определений понятия «электромагнитный метаматериал». Например, интернет-энциклопедия «Википедия» дает такое толкование: «Метаматериал - композит, имеющий свойства, не встречающиеся в природе, в частности имеющий отрицательную диэлектрическую и магнитную проницаемости». Это краткое определение является уязвимым уже потому, что в природе вполне могут быть вещества, свойства которых еще не изучены.

В настоящее время, метаматериалы привлекают большой интерес научного мира своими уникальными свойствами, недостижимыми с использованием привычных материалов. В антенной техники, метаматериалы с их неординарными свойствами обеспечивают дополнительные возможности: меньшие размеры, высокий коэффициент усиления антенны и более широкая полоса рабочих частот. Существуют и другие области использования метаматериалов. Например, с их помощью становиться возможным, создать идеальное неотражающее покрытие, кроме этого удивительными являются и фокусирующие свойства таких материалов. Исторически сложилось так, что исследователи, создающие метаматериалы, используют резонансные элементы. Данный факт влечет за собой узкополосные характеристики созданной среды. Большинство современных радиоэлектронных устройств имеют широкий диапазон рабочих частот, в этой связи перед научным сообществом стоит задача создания нерезонансных метаматериалов.

Цель работы - Теоретическое и экспериментальное исследование возможности создания широкополосного метаматериала для радиодиапазона, а также анализ возможностей его практического использования.

Задачи исследования

1. Исследование состояния проблемы создания метаматериала, пригодного для электромагнитного излучения радиодиапазона с использованием композиции замкнутых проводников.

2. Анализ электродинамических основ построения метаматериала как

и и / и \ с»

гетерогенной среды, т.е. неоднородной (композиционной) системы, состоящей из однородных частей (фаз), разделённых поверхностью раздела.

3. Построение метода расчета взаимодействия электромагнитной волны со средой метаматериала с учетом эффектов поглощения и многократных взаимодействий. Верификация метода.

4. Использование разработанного метода для анализа возможности создания отрицательного лучепреломления и получения эффекта суперлинзы на основе плоского слоя метаматериала.

5. Проведение численного эксперимента по созданию слоя метаматериала из кольцевых проводников.

6. Изготовление экспериментального макета метаматериала и проведение его исследования с использованием сверхширокополосного радиоизлучения.

7. Разработка рекомендаций о возможности практического создания и использования метаматериалов в радиодиапазоне.

Методы исследования

Работа основана на использовании математических методов расчета электромагнитных полей систем из разомкнутых и замкнутых проводников электрических и магнитных токов. Для описания взаимодействия плоских волн со слоем метаматериала применялись известные методы электродинамического анализа. Анализ взаимодействия элементов решетки из замкнутых проводников проводился с использованием численного моделирования в среде CST Microwave Studio и дальнейшей обработкой в среде MathCad. Экспериментальная часть работы основана на использовании СШП антенн, анализатора цепей PNA-L NetworkAnalyzer компании Agilent Technologies. Обработка данных производилась с помощью написанного автором специального программного обеспечения.

Защищаемые положения:

1. При описании процессов распространения электромагнитных волн в плоскослоистых метаматериалах с произвольным комплексным показателем преломления, при которых возникают эффекты отрицательного преломления и сверхфокусировки, для соблюдения граничных условий и сохранения баланса энергии при переходе через границу необходимо и достаточно исключить асимптотически незатухающие однородные и неоднородные составляющие при использовании спектрального разложения по плоским волнам всего многократно переотраженного поля.

2. Одновременное существование отрицательных нерезонансных намагничиваемости и поляризуемости у электрически малых идеально проводящих кольцевых проводников приводит к возникновению широкополосного отрицательного показателя преломления у метаматериала, синтезируемого из этих проводников. При взаимодействии множества электрически близко расположенных таких проводников наблюдается отрицательная вещественная часть комплексного показателя преломления в широкой полосе частот.

3. Матричная структура составленная из периодически расположенных стальных кольцевых проводников (шайб) с внешним и внутренним диаметрами 8 мм и 4 мм, расположенных во вспененном полистироле на расстоянии 10 мм между центрами колец в трех ортогональных направлениях и ориентированных параллельно вектору напряженности электрического поля падающей волны, обеспечивает эффект отрицательного фазового набега в полосе частот 9,9-10,9 ГГц с комплексным коэффициентом преломления п = -3,84 + i 1,80 при разбросе значений не более 10 % в случае использования 2-х слоев. Удвоение же поперечной концентрации кольцевых проводников и сведение структуры до одного слоя обеспечивает коэффициент преломления порядка п = 0,46 + i 0,09 в сверхширокой полосе частот 6 - 20 ГГц.

Достоверность защищаемых положений и других результатов

Оценка достоверности первого защищаемого положения предполагает проверку корректности полученного на основе этого положения метода расчета электромагнитных полей в плоскослоистых метаматериалах с произвольным комплексным показателем преломления. Предложенный метод основан на комбинации известных способов описания электромагнитных полей. Метод был проверен на ряде диэлектрических сред. Для этого производился расчет электромагнитного поля при прохождении плоской волны через плоский слой с комплексным показателем преломления п = 2 + 0.1/. Полученный результат сравнивался с результатом расчета, полученного с использованием соотношений Бреховских Л.М. для электромагнитных волн в плоскослоистых диэлектрических средах. В результате проверки получено полное совпадение составляющих электромагнитного поля. Достоверность результатов, полученных для метаматериальных сред, проверена с использованием закона сохранения энергии. Суть проверки заключается в сохранении баланса энергии при переходе через границу раздела. Показано, что учет всевозможных многократных переотражений в плоскослоистых средах с использованием разработанного метода является адекватным при всех углах падения согласно теореме Пойнтинга. Применимость метода для описания отрицательного преломления и сверхфокусировки подтверждена в двух случаях: коллимированного пучка и сферической волны.

Достоверность второго защищаемого положения обеспечивается тем, что его формулировка базируется на результатах решения интегрального уравнения Поклингтона, математически строго установленного, исходя из уравнений Максвелла, граничных условий и материальных уравнений. Полученные расчетные результаты не противоречат известным выводам о поляризуемости электрически малого прямолинейного вибратора, опубликованным не только в научной, но и в учебной литературе1. Это обстоятельство служит дополнительным обоснованием применимости интегрального уравнения Поклингтона при исследовании проблемы намагничиваемости и поляризуемости электрически малых кольцевых проводников. Учет взаимодействия полей ближней зоны кольцевых проводников определяется использованием широко известного коммерческого пакета CST Microwave studio. Правильность использования пакета CST Microwave studio предварительно проверяется на ряде известных структур: одиночные вибраторы, кольца и др. Такая проверка служит еще одним доказательством справедливости проведенных ранее электродинамических расчетов решения уравнения Поклингтона для одиночных объектов в виде вибраторов и кольцевых проводников. Аналитические и численные результаты дают одинаковые физические выводы.

Достоверность третьего защищаемого положения обеспечивается разработанной максимально простой схемой измерений показателя преломления создаваемой плоскослоистой среды, установленной между передающей и приемной СШП антеннами, подключёнными к высокоточному векторному анализатору цепей фирмы Agilent. Корректность выбранной методики измерений проверяется сначала на стандартных диэлектрических структурах типа органическое стекло и шифер. Наблюдается совпадение результатов с известными параметрами для этих тестовых сред с той точностью, с которой они известны и приводятся в справочной литературе2, т.е. 0,05 %. Важно, что по выбранной методике измерений найденные значения показателя преломления тестовых сред сохраняются во всем выбранном частотном диапазоне от 2 до 16 ГГц.

1 Фрадин Ф.З. Антенно-фидерные устройства. Учебное пособие. М.:«Связь», 1977. 440 с.; Митра, Р. Вычислительные методы в электродинамике / Р. Митра; пер. с англ. под ред. Э.Л. Бурштейна. - М.: Мир, 1977. 485 с.

2 Бензарь В.К. Техника СВЧ-влагометрии. - Минск: Вышэйшая школа, 1974. - 352 с.

9

Использование выбранной методики для синтезированных метаматериалов становится оправданным, а найденные таким образом значения показателя преломления определяются однозначно, разумеется, с контролируемой точностью.

Научная новизна:

1. Новизна первого защищаемого положения состоит в том, что предложено исключать незатухающие составляющие электромагнитного поля при спектральном разложении по плоским волнам. В свою очередь это породило метод расчета поля при прохождении волны через плоский слой или систему слоев метаматериала с произвольным комплексным показателем преломления. В рамках метода предложено выполнить оценку влияния многократных переотражений на фокусировку плоскопараллельной пластиной из метаматериала с любым комплексным показателем преломления.

2. Новизна второго защищаемого положения состоит в том, что обнаружена сама возможность существования широкополосных свойств у метаматериалов, составленных из электрически малых замкнутых проводников. При этом показана существенная роль полей ближней зоны в формировании широкополосных свойств конструируемого метаматериала.

3. Научная новизна третьего защищаемого положения состоит в том, что разработан и практически осуществлен макет матричной структуры из замкнутых кольцевых проводников, имеющий отрицательный показатель преломления. Обнаружена широкополосность таких композиционных метаматериалов.

Научная ценность:

1. На основе первого защищаемого положения разработан не имеющий аналогов метод расчета поля при прохождении волны через плоский слой или систему слоев метаматериала с произвольным комплексным показателем преломления как с учетом, так и без учета многократных переотражений. Этот метод, в частности, позволяет рассчитать эффект фокусировки плоским слоем из метаматериала с комплексным показателем преломления и возможность превышения дифракционного предела.

2. Второе защищаемое положение закладывает электродинамические основы построения широкополосных метаматериалов радиодиапазона, потому что

устанавливает особую роль замкнутых проводников для получения отрицательных и нерезонансных намагничиваемости и поляризуемости конструируемой среды.

Практическая значимость:

1. Предложенная в третьем защищаемом положении методика изготовления метаматериала с отрицательным значением вещественной части комплексного показателя преломления в полосе частот от 8,5 до 10,9 ГГц, что актуально при создании широкополосных «суперлинз» (превосходящих дифракционный предел) для радиоволновой томографии, разработке новых антенных систем и маскирующих покрытий.

2. В численном эксперименте показано, что эффективная площадь рассеяния (ЭПР) шара, покрытого метаматериалом, созданного по третьему защищаемому положению (с показателем преломления п = 0.5 + 0.1/), составляет 42 - 60% по отношению к ЭПР шара без покрытия. в диапазоне частот 5 - 11 ГГц, что демонстрирует перспективу применения разработанного метаматериала для сокрытия целей.

Внедрение результатов диссертации и рекомендации по дальнейшему использованию:

Все результаты исследований представленные в диссертации использованы при реализации проектов, и включены в отчеты по НИР:

1. «Физико-математическая модель радиолокационного томографа», АВЦП, номер госрегистрации темы (РК): 01200901345, (2009-2011), рук. Якубов В.П.;

2. «Исследование волновых процессов в неоднородных средах и создание основ радиовидения высокого разрешения с использованием метода синтезирования апертуры», ФЦП 1006600, номер госрегистрации темы (РК): 01201061836, (2010-2012), рук. Якубов В.П.;

3. «Разработка физических и математических основ радиоволновой подповерхностной томографии для комплексного анализа земных покровов в геофизике», Грант, номер госрегистрации темы (РК): 01201365422, (2013-2015), рук. Якубов В.П.;

4. «Радиоволновой томосинтез неоднородных сред и объектов», Госзадание Минобрнауки России, номер госрегистрации темы (РК): 01201257789, (2012-2014), рук. Якубов В.П.;

5. «Фундаментальные ограничения в ближнеполевой электродинамике сложных излучающих систем», Грант, номер госрегистрации темы (РК): 01201365421, (2013-2015), рук. Беличенко В.П.

6. «Разработка новых методов, систем и технологий волновой томографии скрытых предметов для обеспечения безопасности», Государственный контракт ВИУ, номер госрегистрации темы (РК): 114111740182, (2014), рук. Якубов В.П.;

7. «Разработка радиофизических, оптических и ультразвуковых методов, аппаратуры и программных средств для комплексных исследований окружающей среды», Государственный контракт ВИУ, номер госрегистрации темы (РК): 114111740173, (2014), рук. Дёмин В.В.;

8. «Разработка радиофизических, оптических и ультразвуковых методов, аппаратуры и программных средств для комплексных исследований окружающей среды», Государственный контракт ВИУ, номер госрегистрации темы (РК): АААА-А16-116040750154-4, (2015-2016), рук. Дёмин В.В.;

9. «Разработка научно обоснованных предложений по корректировке образовательной политики университетов Сибири на основе прогнозирования изменений региональной экономики, изучения потребностей рынка труда, требований работодателей и лучших образовательных практик», Государственный контракт ВИУ, номер госрегистрации темы (РК): АААА-А15- 115122210015-9, (2015), Демкин В.П.;

10. «Волновые методы обеспечения безопасности», Государственный контракт ВИУ, номер госрегистрации темы (РК): АААА-А15-115122110024-2, (2015-2016), рук. Якубов В.П.;

11. «Исследование возможностей применения джиттера для увеличения разрешающей способности в подповерхностной радиотомографии», Грант, номер госрегистрации темы (РК): АААА-А16-116021010351-5, (2016-2017), рук. Клоков А.В.;

12. «Исследование закономерностей фазовых переходов активных и реактивных электромагнитных полей в зоне их формирования излучающими и приемными системами и разработка на этой основе новых методов зондирования неоднородных сред и объектов», Грант, номер госрегистрации темы (РК): АААА-

А16-116060950098-7, (2016-2018), рук. Якубов В.П.;

12

13. «Ближнепольная диагностика материалов, объектов и сред в перекрывающихся эванесцентных полях систем излучателей», Грант, Номер госрегистрации темы (РК): А-А16-116040750169-8, (2016-2018), рук. Беличенко В.П.;

14. «Разработка опытного образца суперлинзы для радиоволновой томографии», Инновационный проект по молодежной программе «УМНИК», (2013-2014), рук. Мироньчев А.С.

Результаты моделирования решеток из кольцевых проводников, а также результаты экспериментального исследования использованы в магистерской диссертации А.В. Горста, защищенной в 2017 г. Кроме того, методика измерений комплексного показателя преломления использована в бакалаврской работе Ф.А. Баркова защищенной в 2017 г. Результаты работы использованы в учебном процессе по исследованию взаимодействия радиоволн с веществом на Радиофизическом факультете Национального исследовательского Томского

3

государственного университета .

Апробация результатов

Результаты диссертационной работы, основные положения работы и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на 12 международных, 8 всероссийских и 3 региональных конференциях: Международная молодежная научная школа «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2017); Международная научно-техническая конференция «Пром-Инжиниринг» (Челябинск, 2016); 26-ая Международная Крымская Конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, 2016); VII Научно-практическая конференция «Информационно-измерительная техника и технологии» (Томск, 2016); XXV Всероссийская открытая конференция «Распространение радиоволн» (Томск, 2016); Всероссийская конференция студенческих научно-исследовательских инкубаторов (Томск, 2016); XII Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления» (Томск, 2016); 6-я Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2015); Всероссийская

3 Якубов В.П., Беличенко В.П., Фисанов В.В. Основы электродинамики излучения и его взаимодействие с веществом: учебное пособие. - Томск: Изд-во НТЛ, 2010. - 296 с.

конференция студенческих научно-исследовательских инкубаторов (Томск, 2015); XI Сибирское совещания по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2015); VI Научно-практическая конференция «Информационно-измерительная техника и технологии» (Томск, 2015); Х Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления» (Томск, 2014); Международная молодежная научная школа «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2014); 24-ая Международная Крымская Конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, 2014); III Научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «ИСС» 2014 (Железногорск, 2014); V Научно-практическая конференция «Информационно - измерительная техника и технологии» с международным участием (Томск, 2014); Первая всероссийская конференция Студенческого научно-исследовательского инкубатора (Томск, 2014); Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2013); IV Научно-практическая конференция «Информационно-измерительная техника и технологии» (Томск, 2013); Конференция Студенческого научно-исследовательского инкубатора (Томск, 2013); Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2012); III Научно-практическая конференция «Информационно-измерительная техника и технологии» (Томск, 2012); Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2010).

Личный вклад автора

Совместно с научным руководителем работы доктором физико-математических наук, профессором, В.П. Якубовым был определён план диссертационной работы, обсуждались и анализировались результаты исследований. Диссертационная работа планировалась и реально выполнялась как часть комплексных исследований по вопросам созданию широкополосных метаматериалов и их взаимодействия с радиоволнами, которые проводились кафедрой радиофизики ТГУ. Автор диссертации осуществлял руководство и принимал непосредственное участие во всех представленных в работе экспериментах. Автором разработано программное обеспечение для обработки экспериментальных данных.

Благодарности

Выражаю свою искреннюю благодарность профессорско-преподавательскому составу кафедры радиофизики, в том числе кандидату физико-математических наук Е. В. Балзовскому за помощь в проведении численных моделирований с использованием программного пакета CST Microwave studio, кандидату физико-математических наук А. В. Клокову за практическую помощь в организации экспериментальных работ. Помощь в обработке экспериментальных данных оказали доценты кафедры радиофизики А.С. Запасной, С.Э. Шипилов и кандидат физико-математических наук Р.Н. Сатаров. Большую помощь в проведении экспериментальных и теоретических исследований оказал магистрант А.В. Горст.

Публикации

По теме диссертации А. С. Мироньчевым опубликована 31 работа, в том числе 9 статей в журналах, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук (из них 2 статьи в российском научном журнале, переводная версия которого индексируется Web of Science), 22 публикации в сборниках материалов международных, всероссийских и региональной научных, научно-практических и научно-технических конференций и молодежных научных школ (из них 7 публикаций в сборниках, изданных за рубежом и индексируемых Web of Science или Scopus).

Структура и объём работы Диссертация состоит из Введения, четырех глав, заключения и списка литературы. В работе содержится 151 листов машинописного текста, 133 рисунка, 2 таблицы. Список литературы включает 116 наименований.

Краткое содержание работы: Во введении изложены: актуальность темы, основные предпосылки к ее постановке, цель и задачи работы, защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость.

В первом разделе дан обзор литературы по теме диссертации, позволивший

определить основные задачи диссертации.

15

Во втором разделе приведен электродинамический анализ простейших сред, имеющих отрицательную диэлектрическую и магнитную проницаемость. Предложен метод численного расчета прохождения волн через плоскослоистые метаматериальные среды, основанный на использовании двумерных прямого и обратного быстрых преобразований Фурье. Это позволило рассчитать как отрицательное преломление для произвольной метосреды, так и многократные переотражения. Для верификации результатов использована интегральная теорема Пойнтинга.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мироньчев, Александр Сергеевич, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Yakubov V.P., Mironchev A.S., Andreitsov A.G., Ponomareva I.O. Artificial Metamaterials and Radio Tomography //2011, V 53, Issue 9, pp 859-899

2. Miron'chev A.S., Yakubov, V.P. Multiple Re-Reflections and Focusing of Waves by a Metamaterial Layer // 2016, V 59, Issue 8, pp 1261-1267

3. Запасной А.С., Беличенко В.П., Мироньчев А.С. Пространственный интерференционный масштаб и его роль в ближнепольной диагностике биологических тканей и сред // Доклады ТУСУРа. - 2016. - Т. 19. - № 2. - С. 1417.

4. Мироньчев А.С., Горст А.В., Якубов В.П., Многократные переотражения в слое метаматериала // Известия высших учебных заведений // Известия вузов. Физика. 2014. Т. 57, № 9/2. С. 97-101.

5. Якубов В.П., Мироньчев А.С. Фокусировка с использованием метаматериала // Известия высших учебных заведений // Известия вузов. Физика. 2012. Т. 55, № 9(2). С. 84-85.

6. Мироньчев А.С., Клоков А.В., Запасной А.С., Дюкарев Е.А., Смирнов С.В. Исследование высоты снежного покрова и толщины торфяной залежи олиготорфного болота методом // Известия высших учебных заведений // Известия вузов. Физика. 2016. Т. 59, № 12/3. С. 108-112.

7. Запасной А.С., Мироньчев А.С., Воробьёв С.Н., Клоков А.В. Применение тепловизионной съёмке с БПЛА для контроля популяции диких животных //Известия вузов. Физика. 2015. Т. 58, № 8/2. С. 42-44.

8. Клоков А.В., Мироньчев А.С., Запасной А.С., Москвитина Н.С., Якубов В.П. Исследование структуры ходов подземных животных методами геолокации // Известия вузов. Физика. 2015. Т. 58, № 8/2. С. 45-47.

9. Мироньчев А.С., Якубов В.П. Суперлинза из метаматериала для радиоволновой томографии // Известия высших учебных заведений // Известия вузов. Физика. 2013. Т. 56, № 8/2. С. 190-192.

10. Mironchev A.S., Klokov A.V., Gorst A.V. Broadband measurement of the reflective properties of natural and artificial radiomaterials// CriMiCo 2014 - 2014 24th

International Crimean Conference Microwave and Telecommunication Technology, Conference Proceedings - 2014. pp 702-703.

11. Belichenko V.P., Zapasnoy A.S., Mironchev A.S. Numerical Modeling and Experimental Investigation of the Breadboard Model of a Near-Field Interference Microscope // MATEC Web of Conferences. - 2016. - V. 79. - Article number 01016.

12. Aleksandr Mironchev, Aleksandr Gorst. Near-field interaction of closed cells for metamaterial creation // MATEC Web of Conferences. - 2016. - V. 79. - Article number 01064.

13. Klokov A.V., Zapasnoy A.S., Mironchev A.S., Yakubov V.P., Shipilova S.S. A comprehensive study of underground animals habitat // Journal of Physics: Conference Series. - 2016. - V. 671. - Is. 1, Article number 012028

14. BelichenkoV.P., Zapasnoy A.S., Mironchev A.S., Matvievskiy E.V. Near-field interference microwave diagnostics // Journal of Physics: Conference Series. -2017. -V. 881. Is. 1, Article number 012014

15. Klokov, A.V., Zapasnoy A.S., MironсhevA.S., Dyukarev,E.A., Smirnov, S.V., Shipilova S.S. Study of oligotrophic bog by ground-penetrating radar // Journal of Physics: Conference Series. -2017. - V. 881. Is. 1, Article number 012013

16. Belichenko V.P., Zapasnoy A.S., Mironchev A.S., Shestakov P.V. The technology of the near-field interference microwave sensing // Solid State Phenomena. - 2016. -V. 870. - P. 730-734.

17. Якубов В.П., Мироньчев А.С. Моделирование метаматериалов для радиодиапазона // Сборник II научно-практической конференции «Информационно-измерительная техника и технологии». Томск: Изд-во ТПУ, 2011. С. 104-105.

18. Мироньчев А.С., Горст А.В. Измерение электрофизических свойств искусственных материалов // Труды Всероссийской конференции Студенческих научно-исследовательских инкубаторов. Томск 15-17 мая 2014 г. Томск: Изд-во НТЛ, 2014. С. 24-26.

19. Антипов В.Б., Цыганок Ю.И., Якубов В.П., Мироньчев А.С. Направленная антенна СВЧ на основе зонной пластинки // Актуальные проблемы радиофизики. Труды Международной молодежной научной школы. Томск. 09.10-12.10.2014. Томск: Изд-во НТЛ, 2014. С. 6-8.

20. Мироньчев А.С., Клоков А.В., Шипилов С.Э., Якубов В.П. Метод измерения отражающих свойств поверхности космических рефлекторов и их программно-аппаратная коррекция // Актуальные проблемы радиофизики. Труды Международной молодежной научной школы. Томск. 09.10-12.10.2014. Томск: Изд-во НТЛ, 2014. С. 25-28.

21. Мироньчев А.С., Якубов В.П., Горст А.В. Частотно-временная фильтрация сигналов при измерении параметров плоскослоистых сред // Информационно-измерительная техника и технологии. Материалы научно-практической конференции с международным участием. Томск: Изд-во ТПУ, 2014. С. 176-180.

22. Мироньчев А.С., Якубов В.П., Клоков А.В., Горст А.В., Шипилов С.Э. Моделирование композиционного метаматериала для радиодиапазона // Электронные средства и системы управления. Десятая Международная научно-практическая конференция. Материалы докладов. Томск, 2014. Часть 1. С. 146148.

23. Клоков А.В., Мироньчев А.С., Шипилов С.Э., Якубов В.П. Аппаратное и программное обеспечение высокого усиления космических рефлекторов в широкой полосе частот // 3-я Научно-техническая конференция молодых специалистов ОАО ИСС. Железногорск, 2014. С. 134-136.

24. Мироньчев А.С. Влияние многократных переотражений на фокусировку излучения плоской линзой из метаматериала // Труды XII Всероссийской конференции студенческих научно-исследовательских инкубаторов. Томск, 2015. С. 33-34.

25. Мироньчев А.С. Радарное измерение торфяных залежей // Труды XII Всероссийской конференции студенческих научно-исследовательских инкубаторов. Томск, 2015. С. 35-37.

26. Клоков А.В., Мироньчев А.С., Дюкарев Е.А., Смирнов С.В. Исследование пространственного распределения высоты снежного покрова и толщины торфяной залежи олиготрофного болота с помощью георадара ОКО-2 // Тезисы докладов XI Сибирского совещания по климато-экологическому мониторингу. Томск, 2015. С. 198-199.

27. Мироньчев А.С., Якубов В.П. Дифракционный предел и неоднородные волны в

метаматериале // Информационно - измерительная техника и технологии.

141

Материалы VI Научно-практической конференции с международным участием. Томск, 2015. С. 157-163.

28. Беличенко В.П., Запасной А.С., Мироньчев А.С. Ближнепольная интерференционная СВЧ диагностика // В сборнике: 26-я Международная Крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо'2016) Материалы конференции. - 2016, в 13 т. С. 1838-1844.

29. Клоков А.В., Запасной А.С., Мироньчев А.С., Дюкарев Е.А., Смирнов С.В., Шипилова С.С. Геолокация торфяников // В сборнике: 26-я Международная Крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо 2016) материалы конференции 26-ой Международной Крымской конференции : - 2016, в 13 т. С. 2439-2445.

30. Барков Ф.А., Мироньчев А.С., Якубов В.П., Михайлова С.И. Определение диэлектрической проницаемости семян // Актуальные проблемы радиофизики: Труды Международной молодежной научной школы. Томск, 2526 сентября 2017 г. / под ред. О.А. Доценко. Томск:Изд-во НТЛ, 2017. С 13-18.

31. Горст А.В., Мироньчев А.С., Якубов В.П. Модель структуры метаматериала для микроволн. // Актуальные проблемы радиофизики: Труды Международной молодежной научной школы. Томск, 2526 сентября 2017 г. / под ред. О.А. Доценко. Томск:Изд-во НТЛ, 2017. С 29-35.

32. Walser Rodger. Metamaterials What are they and what are they good for? // Meeting of the American Physical Society, March 20-24, 2000.

33. John B. Pendry and David R. Smith. Reversing Light with Negative Refraction // Physics Today. Vol. 57. No. 6. P. 37-43. June 2004.

34. Веселаго В.Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями е и ц // Успехи физических наук. - 1967. - Т.92. - Вып.3. - С. 517-526.

35. H. Lamb, "On Group-Velocity," Proc. London Math. Soc. https://doi.org/PLMTAL 1, 473-479 (1904).

36. A. Schuster, An Introduction to the Theory of Optics, General Books LLC, 230 (2010).

37. Nichols, E. F., An Introduction to the Theory of Optics by Arthur Schuster, Astrophysical Journal, vol. 21, p.382, 1905.

38. G.V. Eleftheriades and K.G. Balmain Editors, Negative-Refraction Metamaterials:

Fundamental Principles and Applications, Wiley: New York, 2005

142

39. N. Engheta and R.W. Ziolkowski, In Metamaterials: Physics and engineering explorations, Eds.; Wiley, New York, 2006.

40. Веселаго В. Г. // Физика Твердого Тела. - 1966. - Т.8. - С. 3571.

41. Пафомов В. Е. // Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики. - 1959. -Т.36. - С. 1853.

42. Мандельштам Л. И. Групповая скорость в кристаллической решетки// Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики. - 1945. - Т.15. - С.475.

43. C.G. Parazzoli, R.B. Greegor, K. Li, B.E. Koltenbah, and M. Tanielian, Experimental verification and simulation of negative index of refraction using Snell's Law, Phys Rev Lett 90, 2003

44. A.A. Houck, J.B. Brock, and I.L. Chuang, Experimental observations of a left handed material that obeys Snell's law, Phys Rev Lett 90, 2003.

45. K. Aydin, K. Guven, C.M. Soukoulis, and E. Ozbay, Observation of negative refraction and negative phase velocity in left-handed metamaterials, Appl Phys Lett 86, 2005.

46. S. Tretyakov, and S. Maslovski, Veselago materials: what is possible and impossible about the dispersion of the constitutive parameters, IEEE Antennas Propag Magn 49, 2007.

47. L.D. Landau and E.M. Lifshitz, Electrodynamics of Continuous Media (Course of Theoretical Physics), 2nd Ed., Vol. 8, Butterworth-Heinemann, Burlington, USA, 1984.

48. T. Koschny, L. Zhang, and C. M. Soukoulis, Isotropic 3d left-handed and related metamaterials, Phys Rev B 71, 2005.

49. J.D. Baena, L. Jelinek, R. Marqués, and J. Zehentner, Electrically small isotropic three-dimensional magnetic resonators for metamaterial design, Appl Phys Lett 88, 2006.

50. M. Zedler, C. Caloz, and P. Russer, A 3-D isotropic left-handed metamaterial based on the rotated transmission-line matrix (TLM) scheme, IEEE Trans Microwave Theory Tech 55, 2007.

51. Pendry J. B., Holden A. J., Robbins D. J., and Stewart W. J. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena// IEEE Trans. Microwave Theory Tech. - 1999. - V.47 - No.11. - P. 2075.

52. R.A. Shelby, D.R. Smith, and S. Schultz, Experimental verification of a negative index of refraction, Science 292, 2001.

53. F. Bilotti, A. Toscano, and L. Vegni, Design of spiral and multiple split-ring resonators for the realization of miniaturized metamaterial samples, IEEE Trans Antennas Propag 55, 2007.

54. K.B. Alici, F. Bilotti, L. Vegni, and E. Ozbay, Miniaturized negative permeability materials, Appl Phys Lett 91, 2007.

55. F. Bilotti, A. Toscano, L. Vegni, K.B. Alici, K. Aydin, and E. Ozbay, Equivalent circuit models for the design of metamaterials based on artificial magnetic inclusions, IEEE Trans Microwave Theory Tech. 55 2007.

56. Walser Rodger. MetamaterialsWhat are they and what are they good for? // Bull. Am. Phys. Soc. - 2000. - V.45. - P. 1005.

57. Smith D. R., Padilla W. J., Vier D. C., Nemat-Nasser S. C., Schultz S. Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity // Phys. Rev. Lett. - 2000. - V.84. - No.18. - P.4184.

58. J. Garcia-Garcia, F. Martin, J.D. Baena, R. Marques, and L. Jelinek, On the resonances and polarizabilities of split-ring resonators, J Appl Phys 98, 2005.

59. R. Marques, F. Medina, and R. Rafii-El-Idrissi, Role of bianisotropy in negative permeability and left-handed metamaterials, Phys Rev B 65, 2002.

60. Lagarkov A. N., Kissel V. N. Near-Perfect Imaging in a Focusing System Based on a Left-Handed-Material Plate // Phys. Rev. Lett. - 2004. - V.92. - No.7. - P.077401-1.

61. Туров Е.А. Материальные уравнения электродинамики. М.: Наука, 1983

62. Третьяков С.А. Электродинамика сложных сред: Киральные, биизотропные и некоторые бианизотропные материалы // Радиотехника и электроника.1994. - Т. 39. - № 10. - С. 1457-1470.

63. Боголюбов А.Н., Мосунова Н.А., Петров Д.А. Математическое моделирование киральных волноведущих систем // Журнал Радиоэлектроники. 2005. - №7. - C. 141.

64. Padilla W. J.; Basov D. N., Smith D. R. Negative refractive index metamaterials // Materials Today. 2006. - V.9. - No. 7-8. - P. 28-35.

65. Bracewell, R. N. Analogues of an ionized medium: Applications to the ionosphere, Wireless Eng. 1954. - No.31. - P. 320- 326.

66. John Brown. Artificial dielectrics having refractive indices less than unity // Proc. Inst.

Elect. Eng (London). 1953. - V.100. - No.4. Monograph - No.62R. - P. 51-62.

144

67. Слюсар В. Метаматериалы в антенной технике: история и основные принципы // Электроника: НТБ. 2009. - №.7. - C. 70-79.

68. A. Semichaevsky, A. Akyurtlu. Homogenization of Metamaterial-Loaded Substrates and Superstates for Antennas // Progress In Electromagnetics Research. 2007. - No.71

- P.129-147.

69. M.-F. Wu et. al. Miniaturization of a Patch Antenna with Dispersive Double Negative Medium Substrates. - APMC2005 Proceedings.

70. Q. Sui , C. Li, L. L. Li, and F. Li. Experimental Study of У4 Monopole Antennas in a Left-Handed Meta-Material // Progress In Electromagnetics Research - 2005. - No.51.

- P. 281-293.

71. S. Tricarico, F. Bilotti, and L. Vegni, Multi-functional dipole antennas based on artificial magnetic metamaterials, IET Microwave Antennas Propag 4 ( 2010).

72. F. Bilotti, and C. Vegni, Design of high-performing microstrip receiving GPS antennas with multiple feeds, IEEE Antennas Wireless Propag Lett 9 ( 2010).

73. F. Bilotti, S.E. Lauro, A. Toscano, and L. Vegni, Efficient modeling of the crosstalk between two coupled microstrip lines over non-conventional materials using an hybrid technique, IEEE Trans Magn 44 ( 2008).

74. A.O. Cakmak, K. Aydin, E. Colak, Z. Li, F. Bilotti, L. Vegni, and E. Ozbay, Enhanced transmission through a sub-wavelength aperture using metamaterials, Appl Phys Lett 95 ( 2009).

75. F. Bilotti, L. Scorrano, E. Ozbay, and L. Vegni, Enhanced transmission through a sub-wavelength aperture: resonant approaches employing metamaterials, J Opt A: Pure Appl Opt 11 ( 2009).

76. K.B. Alici, F. Bilotti, L. Vegni, and E. Ozbay, Optimization and tunability of deep subwavelength resonators for metamaterial applications: complete enhanced transmission through a subwavelength aperture, Opt Exp 17 ( 2009).

77. K. Aydin, A.O. Cakmak, L. Sahin, Z. Li, F. Bilotti, L. Vegni, and E. Ozbay, Split ring resonator-coupled enhanced transmission through a single subwavelength aperture, Phys Rev Lett 102 ( 2009).

78. O. Ozgun, and M. Kuzuoglu, Utilization of anisotropic metamaterial layers in waveguide miniaturization and transitions, IEEE Microwave Wireless Compon Lett 17 ( 2007).

79. O. Ozgun, and M. Kuzuoglu, Form-invariance of Maxwell's equations in waveguide cross-section transformations, Electromagnetics 29 ( 2009).

80. O. Ozgun, and M. Kuzuoglu, Domain compression via anisotropic metamaterials designed by coordinate transformations, J Comput Phys 229 ( 2010).

81. O. Ozgun, and M. Kuzuoglu, Form invariance of Maxwell's equations: The pathway to novel metamaterial specifications for electromagnetic reshaping, IEEE Antennas Propag Magn 52 ( 2010).

82. Schurig, J.J. Mock, B.J. Justice, S.A. Cummer, J.B. Pendry, A.F. Starr, and D.R. Smith, Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies, Science 314 ( 2006).

83. W. Cai, U.K. Chettiar, A.V. Kildishev, and V.M. Shalaev, Optical cloaking with metamaterials, Nat Photon 1 ( 2007).

84. Alu and N. Engheta, Achieving transparency with plasmonic and metamaterial coatings, Phys Rev E 72 ( 2005).

85. M.G. Silveirinha, A. Alu, and N. Engheta, Parallel plate metamaterials for cloaking structures, Phys Rev E 75 ( 2007).

86. G.W. Milton, and N.A. Nicorovici, On the cloaking effects associated with anomalous localized resonance, Proc Roy Soc A 462 ( 2006), 3027.

87. S. Tretyakov, P. Alitalo, O. Luukkonen, and C. Simovski, Broadband electromagnetic cloaking of long cylindrical objects, Phys Rev Lett 103 (2009).

88. I.I. Smolyaninov, V.N. Smolyaninova, A.V. Kildishev, and V.M. Shalaev, Anisotropic metamaterials emulated by tapered waveguides: application to optical cloaking, Phys Rev Lett 102 ( 2009).

89. F. Bilotti, S. Tricarico, and L. Vegni, Electromagnetic cloaking devices for TE and TM polarizations, New J Phys 10 ( 2008).

90. F. Bilotti, S. Tricarico, and L. Vegni, Plasmonic metamaterial cloaking at optical frequencies, IEEE Trans Nanotechnol 9 ( 2010).

91. S. Tricarico, F. Bilotti, A. Alu, and L. Vegni, Plasmonic cloaking for irregular objects with anisotropic scattering properties, Phys Rev E 81 ( 2010).

92. S. Tricarico, F. Bilotti, and L. Vegni, Reduction of optical forces exerted on nano-particles covered by scattering cancellation based plasmonic cloaks, Phys Rev B 82 ( 2010).

93. F. Bilotti, S. Tricarico, F. Pierini, and L. Vegni, Cloaking apertureless near-field scanning optical microscopy tips, Opt Lett 36 ( 2011).

94. F. Bilotti, F. Pierini, and L. Vegni, Employment of metamaterial cloaks to enhance the resolution of near-field scanning optical microscopy systems based on aperture tips, Metamaterials 5 ( 2011).

95. Monti, F. Bilotti, and A. Toscano, Optical cloaking of cylindrical objects by using covers made of core-shell nano-particles, Opt Lett 36 ( 2011).

96. S. Muhlig, M. Farhat, C. Rockstuhl, and F. Lederer, Cloaking dielectric spherical objects by a shell of metallic nanoparticles, Phys Rev B 83 ( 2011).

97. G. Castaldi, I. Gallina, V. Galdi, A. Alu, and N. Engheta, Analytical study of spherical cloak/anti-cloak interactions, Wave Motion 48 ( 2011).

98. P. Alitalo, and S. Tretyakov, Electromagnetic cloaking with metamaterials, Mater Today 12 ( 2009).

99. Salandrino and N. Engheta, Far-field subdiffraction optical microscopy using metamaterial crystals: Theory and simulations, Phys Rev B 74 ( 2006).

100. W. Zhang, H. Chen, and H.O. Moser, Subwavelength imaging in a cylindrical hyperlens based on S-string resonators, Appl Phys Lett 98 ( 2011).

101. Z. Liu, H. Lee, Y. Xiong, C. Sun, and X. Zhang, Far-field optical hyperlens magnifying sub-diffraction-limited objects, Science 315 ( 2007).

102. J.B. Pendry, D. Schurig, and D.R. Smith, Controlling electromagnetic fields, Science 312 ( 2006).

103. U. Leonhardt, Optical conformal mapping, Science 312 ( 2006).

104. N. Engheta, Circuits with light at nanoscales: Optical nanocircuits inspired by metamaterials, Science 317 ( 2007).

105. A.N. Grigorenko, A.K. Geim, H.F. Gleeson, Y. Zhang, A.A. Firsov, I.Y. Khrushchev, and J. Petrovic, Nanofabricated media with negative permeability at visible frequencies, Nature 438 ( 2005).

106. Alu and N. Engheta, Dynamical theory of artificial optical magnetism produced by rings of plasmonic nanoparticles, Phys Rev B 78 ( 2008).

107. L. Scorrano, S. Tricarico, and F. Bilotti, Resonating plasmonic particles to achieve power transmission enhancement, IEEE Photon Technol Lett 22 ( 2010).

108. L. Scorrano, F. Bilotti, and L. Vegni, Achieving power transmission enhancement by using nano-rings made of silver spheres, IEEE Photon Technol Lett 22 (2010).

109. K.L. Tsakmakidis, A.D. Boardman, and O. Hess, Trapped rainbow' storage of light in metamaterials, Nature 450 ( 2007).

110. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. - Москва: Изд-во "Наука", 1973. - 343 с.

111. Н. W'eil, Ausbreitung electromagnetischer WeUen fiber einem ebenen Lei ter, Ann. d. Physik 60, 481 (1919)

112. Якубов В.П., Беличенко В.П., Фисанов В.В. Основы электродинамики излучения и его взаимодействие с веществом: учебное пособие. - Томск: Изд-во НТЛ, 2010. - 296 с.

113. Сатаров Р.Н., Кузьменко И.Ю., Муксунов Т.Р., Клоков А.В., Балзовский Е.В., Буянов Ю.И., Шипилов С.Э., Якубов В.П. Коммутируемая сверхширокополосная антенная решетка для радиотомографии // Известия высших учебных заведений. Физика. 2012. Т. 55. № 8. С. 26-30.

114. Бензарь В.К. Техника СВЧ-влагометрии. - Минск: Вышэйшая школа, 1974. -352 с.

115. Финкельштейн М. И. Основы радиолокации. Учеб. для вузов. 2-е изд. / М.: Радио и связь, 1983. С. 126.

116. Skolnik M.I. Radar Handbook. 2nd ed. McGraw-Hill Professional, 1990